CN108025393B - 激光加工装置以及激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光加工装置及激光加工方法。激光加工装置包括测定装置、第二光源及焦点调节装置。测定装置包括第一光源、第一光聚焦部、光感测部及运算部。第一光源射出用以进行测定的探测光，第一光聚焦部对探测光进行聚焦而照射至加工对象物，光感测部对探测光自加工对象物的反射面反射出的反射光的变化进行检测，运算部利用借由光感测部而检测到的反射光的变化计算加工对象物的高度变化；第二光源向加工对象物射出用以进行加工的激光；焦点调节装置利用借由测定装置而检测到的加工对象物的高度变化对照射至加工对象物的激光的焦点进行调节。

Description

激光加工装置以及激光加工方法
技术领域
本发明是有关于一种激光加工装置及激光加工方法，详细而言，有关于一种在激光加工作业中，可自动调节加工目标位置的焦点的激光加工装置及激光加工方法。
背景技术
夏克-哈特曼(shack-hartmann)感测器是一种在天体望远镜或验光仪等领域中测定在特定区域反射的光波面(light wavefront)的应变或像差的装置，通常用于利用以此方式测定到的光波面的应变或像差在特定区域测定面的形状。
然而，夏克-哈特曼感测器存在无法测定物体的整体厚度或高度变化的极限。例如，在欲测定堆载于如平台的表面的基准面上的具有不同厚度的晶圆之间的厚度差时，夏克-哈特曼感测器无法测定上述厚度差或在测定中会存在较大制约。其原因在于，照射至物体的探测光(probe light)的尺寸需大至涵盖所有晶圆及基准面的程度，且基准面成为探测光的反射面而基准面与测定面的高度差不应超过夏克-哈特曼感测器的测定极限(例如，探测光波长的约30倍左右)。
发明内容
发明欲解决的课题
根据本发明的一实施例，提供一种在激光加工作业中可自动调节加工目标位置的焦点的激光加工装置及激光加工方法。
解決课题的手段
在本发明的一观点中，提供一种激光加工装置，其包括：测定装置，测定加工对象物的高度变化，包括第一光源、第一光聚焦部、光感测部及运算部，上述第一光源射出用以进行测定的探测光(probe light)，上述第一光聚焦部对上述探测光进行聚焦而照射至上述加工对象物，上述光感测部包括夏克-哈特曼(shack-hartmann)感测器且对上述探测光自上述加工对象物的反射面反射出的反射光的变化进行检测，上述运算部利用借由上述光感测部而检测到的上述反射光的变化计算上述加工对象物的高度变化；第二光源，向上述加工对象物射出用以进行加工的激光；及焦点调节装置，利用借由上述测定装置而测定到的加工对象物的高度变化对照射至上述加工对象物的上述激光的焦点进行调节。
自上述第二光源射出的上述激光可经由上述第一光聚焦部而照射至上述加工对象物。
上述焦点调节装置可包括驱动部，上述驱动部使上述第一光聚焦部相对于上述加工对象物上下移动，或使上述测定装置相对于上述加工对象物上下移动。另外，上述焦点调节装置可更包括控制部，上述控制部与上述运算部连接而对上述驱动部的上下移动进行控制。
在上述第一光源及第二光源与上述第一光聚焦部之间，可设置使上述探测光及上述激光中的任一者透射且反射另一者的分色镜(dichroic mirror)。
在上述第一光源与上述分色镜之间，可设置使上述探测光及上述反射光中的任一者透射且反射另一者的分束器(beam splitter)。另外，在上述分色镜与上述分束器之间，可更设置波片(wave plate)及带通滤波器(bandpass filter)。
上述激光加工装置可包括对自上述第二光源射出的上述激光进行聚焦而照射至上述加工对象物的第二光聚焦部。
上述焦点调节装置可包括驱动部，上述驱动部使上述第二光聚焦部相对于上述加工对象物上下移动，或使上述测定装置相对于上述加工对象物上下移动。另外，上述焦点调节装置可更包括控制部，上述控制部与上述运算部连接而对上述驱动部的上下移动进行控制。
在上述第一光源与上述第一光聚焦部之间，可设置使上述探测光及上述反射光中的任一者透射且反射另一者的分束器。
上述夏克-哈特曼感测器可检测上述反射光的光波面(light wavefront)变化。上述运算部可利用以数式表示借由上述光感测部而检测到的上述反射光的变化的泽尼克多项式(Zernike polynomials)计算上述加工对象物的高度变化。此处，上述加工对象物的高度变化可与上述泽尼克多项式的散焦(defocus)项系数值的变化对应。
在本发明的另一观点中，提供一种激光加工方法，其是利用激光加工装置对加工对象物进行加工的方法，上述激光加工装置包括：测定装置、第二光源及焦点调节装置，上述测定装置包括第一光源、第一光聚焦部、光感测部及运算部，上述第一光源射出探测光，上述第一光聚焦部对上述探测光进行聚焦而照射至上述加工对象物，上述光感测部包括夏克-哈特曼感测器且对上述探测光反射出的反射光的变化进行检测，上述运算部利用上述反射光的变化计算上述加工对象物的高度变化；上述第二光源射出激光；上述焦点调节装置对上述激光的焦点进行调节；且上述激光加工方法至少包括如下步骤：上述测定装置测定上述加工对象物的高度变化的步骤；以及上述焦点调节装置以与借由上述测定装置而测定到的上述加工对象物的高度变化对应的方式调节照射至上述加工对象物的上述激光的焦点的步骤。
发明效果
根据本发明的实施例，测定装置中包括夏克-哈特曼感测器的光感测部检测自加工对象物反射的反射光的光波面变化，运算部利用反射光的光波面变化计算散焦项的系数值，借此可测定加工对象物的高度变化。因此，在激光加工作业中加工对象物的高度发生变化的情形时，测定装置即时测定加工对象物的高度变化，利用以此方式测定到的加工对象物的高度变化自动调节焦点，借此可实时准确地执行激光加工作业。
附图说明
图1是概略性地示出本发明的例示性的实施例的测定装置的图。
图2a至图2c是用以说明利用图1所示的测定装置测定物体的厚度或高度变化的原理的图。
图3是例示性地示出根据在图2a至图2c中与反射面的高度对应地检测到的反射光的变化计算出的散焦项系数值的图。
图4是说明本发明另一例示性的实施例的测定方法的流程图(flow chart)。
图5a及图5b是示出图4所示的测定方法的具体实现例的图。
图6a及图6b是示出图4所示的测定方法的另一实现例的图。
图7a至图7c是示出本发明的例示性的实施例的激光加工装置及激光加工方法的图。
图8是示出本发明的另一例示性的实施例的激光加工装置的图。
图9a至图9c是示出本发明的另一例示性的实施例的激光加工装置及激光加工方法的图。
图10是示出本发明的另一例示性的实施例的激光加工装置的图。
具体实施方式
以下，参照随附附图，详细地对本发明进行说明。如下所例示的实施例并不限定本发明的范围，而是为了向在本领域技术人员说明本发明而提供。在图中，相同的参照符号表示相同的构成要素，为了说明的明确性，可夸张地表示各构成要素的尺寸或厚度。并且，在说明为特定的物质层存在于基板或其他层时，上述物质层能够以与基板或其他层直接相接的方式存在，亦可在上述物质层与上述基板或上述其他层之间存在其他第三层。另外，在以下实施例中，构成各层的物质仅为示例，除此之外，亦可使用其他物质。
图1是概略性地示出本发明的例示性的实施例的测定装置的图。图1所示的测定装置100可测定物体的厚度或高度变化，或测定物体的形状。
参照图1，测定装置100可设置至堆载于平台50的对象物体55的上部。本实施例的测定装置100可包括光源110、光聚焦部130、光感测部140及运算部150。此处，在光源110与光聚焦部130之间，可更设置分束器(beam splitter)120。
光源110射出为了测定对象物体55的高度而照射至对象物体55的探测光(probelight)L1。自光源110射出的探测光L1可透射分束器120。此处，分束器120可使探测光L1与下文将述的反射光L2中的任一者透射且反射另一者。在图1中，例示性地示出有分束器120使探测光L1透射且使反射光L2反射的情形。然而，本实施例并不限定于此，分束器120亦能够以反射探测光L1且使反射光L2透射的方式构成。经由此种分束器120的探测光L1在借由光聚焦部130聚焦后，照射至堆载于平台50的对象物体55。
借由光聚焦部130聚焦而照射在对象物体55的探测光L1自对象物体55的反射面反射。以此方式自对象物体55反射的反射光L2可经由光聚焦部130而在分束器120反射后，由光感测部140检测。在本实施例中，光感测部140可包括可检测反射光L2的光波面(lightwavefront)变化的夏克-哈特曼(shack-hartmann)感测器。夏克-哈特曼感测器对反射光L2的光波面的应变或像差进行测定，借此可检测反射光L2相对于探测光L1的光波面变化。
运算部150可利用借由光感测部140而检测到的反射光L2的变化测定对象物体55的反射面的高度变化。具体而言，若光感测部140检测到反射光L2的光波面变化，则向运算部150发送与上述光波面变化对应的电气信号。另外，运算部150可借由将借由光感测部140检测到的反射光L2的光波面变化构成为作为数学模型的泽尼克多项式(Zernikepolynomials)而测定对象物体55的反射面的高度变化。泽尼克多项式可由多个项构成，此处构成泽尼克多项式的各项是指光学像差(aberration)，且彼此独立(orthogonal)。构成此种泽尼克多项式的项中的散焦(defocus)项的系数值可决定对象物体55的厚度或高度变化。在之后叙述该内容的详细说明。
测定装置100能够以可相对于对象物体55上下移动的方式设置。例如，在图1中，可为测定装置100沿z方向上下移动，或堆载有对象物体55的平台50沿z方向上下移动。此外，测定装置100及平台50均可沿z方向移动。
图2a至图2c是用以说明利用图1所示的测定装置测定物体的厚度或高度变化的原理的图。
在图2a中，示出有自光源110射出的探测光L1在借由光聚焦部130聚焦而入射至反射面S后，自反射面S反射的情况。参照图2a，自光源110射出而透射分束器120的探测光L1在借由光聚焦部130聚焦后，入射至反射面S。此处，探测光L1可在反射面S上聚焦而形成聚光点。接着，探测光L1可在反射面S反射，反射光L2在分束器120反射后，入射至光感测部140。
包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140可检测自反射面S反射的反射光L2的光波面变化。在图2a中，自反射面S反射的反射光L2的光波面W与探测光L1相同，均为平面波面(plane wavefront)，因此无反射光L2的光波面变化。如上所述，可将无反射光L2的光波面变化的反射面S设定为成为高度测定基准的基准面(reference surface)。此处，基准面的高度例如可设定为“0”。
如上所述，若无自反射面S反射的反射光L2的光波面变化，则在储存于运算部150的泽尼克多项式中，散焦项的系数值可成为“0”。在该情形时，反射面S的高度可设定为与基准面的高度相同的“0”。
在图2b中，示出有自光源110射出的探测光L1在借由光聚焦部130聚焦而入射至反射面S后反射的情况。在图2b中，反射面S设置在高于基准面的位置，在该情形时，反射面S的高度可具有“正(+)”值。参照图2b，自光源110射出而透射分束器120的探测光L1在借由光聚焦部130而聚焦后，入射至反射面S。此处，由于反射面S设置在高于基准面的位置，因此经由光聚焦部130的探测光L1会在反射面S上散焦。另外，此种探测光L1可在反射面S反射，反射光L2在分束器120反射后，入射至光感测部140。在该情形时，在分束器120反射出的反射光L2可一面扩散一面入射至光感测部140。
包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140可检测自反射面S出射的反射光L2的光波面变化。如图2b所示，自位于高于基准面的位置的反射面S反射的反射光L2的光波面W会变成凸出形态而入射至光感测部140。如上所述，若借由光感测部140而检测到的反射光L2的光波面W变成凸出形态，则在储存于运算部150的泽尼克多项式中，散焦项的系数可具有“正(+)”值。
在图2c中，示出有自光源110射出的探测光L1在借由光聚焦部130聚焦而入射至反射面S后反射的情况。在图2c中，反射面S设置在低于基准面的位置，在该情形时，反射面S的高度可具有“负(-)”值。参照图2c，自光源110射出而透射分束器120的探测光L1在借由光聚焦部130聚焦后，入射至反射面S。此处，由于反射面S设置在低于基准面的位置，因此经由光聚焦部130的探测光L1可在反射面S上散焦。另外，此种探测光L1可在反射面S反射，反射光L2在分束器120反射后，入射至光感测部140。在该情形时，在分束器120反射出的反射光L2可一面收敛一面入射至光感测部140。
包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140可检测自反射面S反射的反射光L2的光波面变化。如图2c所示，自位于低于基准面的位置的反射面S反射的反射光L2的光波面W变成凹陷形态而入射至光感测部140。如上所述，若借由光感测部140而检测到的反射光L2的光波面W变成凹陷形态，则在储存于运算部150的泽尼克多项式中，散焦项的系数可具有“负(-)”值。
图3是例示性地示出根据在图2a至图2c中与反射面S的高度对应地检测到的反射光L2的变化计算出的散焦项系数值的图。
参照图3可知，在反射面S的高度与基准面(reference surface)的高度相同地为“0”的情形时，泽尼克多项式的散焦项的系数成为“0”。另外，可知在反射面S的高度具有高于基准面的“正(+)”值的情形时，泽尼克多项式的散焦项的系数具有“正(+)”值。在该情形时，反射面S的高度越高，则散焦项的系数值亦越大。另一方面，可知在反射面S的高度具有低于基准面的“负(-)”值的情形时，泽尼克多项式的散焦项的系数具有“负(-)”值。在该情形时，反射面S的高度越低，则散焦项的系数值亦越小。如下所述，与如上所述的反射面S的高度变化对应的散焦项系数值的变化可作为校正资料(calibration data)而储存至测定装置100的运算部150。
另一方面，以上例示性地对如下情形进行了说明：将无反射光L2的光波面变化的情形，即散焦项的系数值成为“0”的情形时的反射面S设定为成为高度测定基准的基准面。然而，本实施例并不限定于此，亦可将散焦项的系数值成为“正(+)”值或“负(-)”值的反射面S设定为基准面。在该情形时，散焦项的系数亦可与反射面S相对于基准面的高度变化对应地改变，可借由利用以此方式计算出的散焦项系数值的变化测定反射面的高度变化而制作校正资料。
图4是说明本发明的另一例示性的实施例的测定方法的流程图(flow chart)。在图4中，示出利用图1所示的测定装置100测定物体的厚度或高度变化的方法。
参照图4，首先设定测定装置的基准点(步骤401)。此处，基准点可如上所述般设定至高度为“0”的基准面上。如下所述，此种基准点可设定至基准物体的反射面上或平台的反射面上。
接着，测定与基准点的上下移动对应的散焦项的系数值(步骤402)。此处，可借由如图2a至图2c所示般自基准面上下移动反射面而实现基准点的上下移动，随着此种基准点的上下移动而发生反射光L2的光波面变化，在借由光感测部140检测此种反射光L2的光波面变化后，可利用上述光波面变化测定储存于运算部150的泽尼克多项式的散焦项的系数值。接着，将表示与以此方式测定到的基准点的上下移动对应的散焦项系数值的变化的校正资料储存至运算部150(步骤403)。
其次，在平台50上装载欲进行测定的对象物体55(步骤404)。测定装置100在移动至上述基准点位置后，自光源110出射探测光L1而照射至对象物体55(步骤405)。此处，自光源110出射的探测光L1可在透射分束器120后，借由光聚焦部130聚焦而照射至对象物体55。
接着，光感测部140检测自对象物体55的反射面出射的反射光L2的光波面变化(步骤406)。具体而言，经由光聚焦部130的探测光L1在对象物体55的反射面反射，以此方式反射出的反射光L2入射至光感测部140。此处，在对象物体55的反射面出射的反射光L2可经由光聚焦部130而借由分束器120反射后，入射至光感测部140。另外，包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140可检测反射光L2的光波面变化。
其次，利用借由光感测部140而检测到的反射光L2的变化测定对象物体55的反射面高度变化(步骤407)。具体而言，借由光感测部140而检测到的反射光L2的光波面变化输入至运算部150，运算部150利用此种反射光L2的光波面变化计算泽尼克多项式的散焦项的系数值。接着，将计算出的散焦项的系数值与储存于运算部150的校正资料进行比较，借此可测定对象物体55的反射面相对于基准点的高度变化。亦可利用以此方式测定到的反射面的高度变化测定对象物体55的厚度。
图5a及图5b是示出图4所示的测定方法的具体实现例的图。
参照图5a，在平台50上装载基准物体(reference object)51。此处，基准物体51可具有已知的厚度t1。接着，设定测定装置100的基准点P。测定装置100的基准点P可设定至基准物体51的反射面S1上。其次，自测定装置100的光源110射出而透射分束器120的探测光L1于借由光聚焦部130聚焦后，入射至基准物体51的反射面S1。另外，探测光L1可于反射面S1反射，反射光L2在分束器120反射后，入射至光感测部140。
包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140可检测自基准物体51的反射面S1反射的反射光L2的光波面变化。在图5a中，示出如下情形：如图2a所示般自基准物体51的反射面S1反射而入射在光感测部140的反射光L2的光波面W成为平面波面，因此无反射光L2的光波面变化。如上所述，无反射光L2的光波面变化的基准物体51的反射面S1可相当于成为高度测定基准的基准面。此处，基准面的高度可设定为“0”。
如上所述，若无自基准物体51的反射面S1反射的反射光L2的光波面变化，则在储存于运算部150的泽尼克多项式中，散焦项的系数值可成为“0”。
其次，测定与基准点P的上下移动对应的散焦项的系数值。此处，可借由如图2b及图2c所示般自基准面上下移动基准物体51的反射面S1而实现基准点P的上下移动。可借由平台50与测定装置100中的至少一者上下移动而实现此种基准点P的上下移动。
随着基准点P的上下移动而发生基准物体51的反射光L2的光波面变化，在借由光感测部140检测此种反射面S1的光波面变化后，可利用上述光波面变化测定储存于运算部150的泽尼克多项式的散焦项的系数值。
具体而言，若基准物体51的反射面S1如图2b所示般自基准面向上方移动，则基准点P的高度具有“正(+)”值，在该情形时，自基准物体51的反射面S1反射的反射光L2的光波面W会可变成凸出形态而由光感测部140检测。如上所述，若借由光感测部140而检测到的反射光L2的光波面W变成凸出形态，则在储存于运算部150的以数式表示反射光L2的光波面变化的泽尼克多项式中，散焦项的系数可具有“正(+)”值。
其次，若基准物体51的反射面S1如图2c所示般自基准面向下方移动，则基准点P的高度具有“负(-)”值，在该情形时，自基准物体51的反射面S1反射的反射光L2的光波面W会变成凹陷形态而由光感测部140检测。如上所述，若借由光感测部140而检测到的反射光L2的光波面W变成凹陷形态，则在储存于运算部150的泽尼克多项式中，散焦项的系数可具有“负(-)”值。
另一方面，以上对如下情形进行了说明：将无反射光L2的光波面变化的情形、即散焦项的系数值为“0”的情形时的反射面S1设定为成为高度测定基准的基准面。然而，并不限定于此，亦可将有反射光L2的光波面变化的情形，即散焦项的系数值具有“正(+)”值或“负(-)”值的情形时的反射面S1设定为成为高度测定基准的基准面。
如上所述，计算与基准点P的上下移动对应的散焦项系数值的变化，将以此方式计算出的校正资料储存至运算部150。另外，可自平台50卸载(unloading)基准物体51。
参照图5b，在平台50上装载欲进行测定的对象物体55。测定装置100在移动至上述基准点P的位置后，自光源110出射探测光L1而照射至对象物体55。此处，自光源110出射的探测光L1可于透射分束器120后，借由光聚焦部130聚焦而照射至对象物体55。
光感测部140检测自对象物体55的反射面出射的反射光L2的光波面变化。具体而言，经由光聚焦部130的探测光L1在对象物体55的反射面S2反射，反射光L2入射至光感测部140。此处，在对象物体55的反射面S2出射的反射光L2可于经由光聚焦部130而借由分束器120反射后，入射至光感测部140。包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140可检测反射光L2的光波面变化。
利用借由光感测部140而检测到的反射光L2的变化测定对象物体55的反射面S2的高度变化。具体而言，借由光感测部140而检测到的反射光L2的光波面变化输入至运算部150，运算部150利用上述反射光L2的光波面变化计算泽尼克多项式的散焦项的系数值。另外，可借由对以此方式计算出的散焦项的系数值与储存于运算部150的校正资料进行比较而测定对象物体55的反射面S2的高度变化Δh。另外，若对以此方式测定到的对象物体55的反射面S2的高度变化Δh相加基准物体51的厚度t1，则可测定对象物体55的厚度t2。
图6a及图6b是示出图4所示的测定方法的另一实现例的图。参照图6a，设定测定装置100的基准点P。此处，测定装置100的基准点P可设定至平台50的反射面S1上。其次，自光源110射出而透射分束器120的探测光L1在借由光聚焦部130聚焦后，入射至平台50的反射面S1。另外，探测光L1可于反射面S1反射，反射光L2在分束器120反射后，入射至光感测部140。
包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140可检测自平台50的反射面S1反射的反射光L2的光波面变化。在图6a中，示出如下情形：如图2a所示般自平台50的反射面S1反射而入射至光感测部140的反射光L2的光波面W成为平面波面，因此无反射光L2的光波面变化。如上所述，无反射光L2的光波面变化的平台50的反射面S1可相当于成为高度测定基准的基准面。此处，基准面的高度可设定为“0”。如上所述，若无自平台50的反射面S1反射的反射光L2的光波面变化，则在储存于运算部150的泽尼克多项式中，散焦项的系数值可成为“0”。
其次，测定与基准点P的上下移动对应的散焦项的系数值。此处，可借由如图2b及图2c所示般自基准面上下移动平台50的反射面S1而实现基准点P的上下移动。可借由平台50与测定装置100中的至少一者上下移动而实现上述基准点P的上下移动。
随着基准点P的上下移动而发生在平台50的反射面S1反射的反射光L2的光波面变化，在借由光感测部140检测上述反射光L2的光波面变化后，可利用上述光波面变化测定储存于运算部150的泽尼克多项式的散焦项的系数值。此处，由于已于上述实施例中详细地对测定与基准点P的上下移动对应的散焦项的系数值的内容进行了说明，因此省略对上述内容的说明。如上所述，计算与基准点P的上下移动对应的散焦项的系数值变化，并且将校正资料储存至运算部。
另一方面，以上对如下情形进行了说明：将无反射光L2的光波面变化的情形，即散焦项的系数值为“0”的情形时的反射面S1设定为成为高度测定基准的基准面。然而，并不限定于此，亦可将有反射光L2的光波面变化的情形，即散焦项的系数值具有“正(+)”值或“负(-)”值的情形时的反射面S1设定为成为高度测定基准的基准面。
参照图6b，在平台50上装载欲进行测定的对象物体55。测定装置100于移动至上述基准点P的位置后，自光源110出射探测光L1而照射至对象物体55。此处，自光源110出射的探测光L1可于透射分束器120后，借由光聚焦部130聚焦而照射至对象物体55。
光感测部140检测自对象物体55的反射面S2出射的反射光L2的光波面变化。具体而言，经由光聚焦部130的探测光L1在对象物体55的反射面S2反射，反射光L2入射至光感测部140。此处，自对象物体55的反射面S2出射的反射光L2可于经由光聚焦部130而借由分束器120反射后，入射至光感测部140。另外，包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140可检测反射光L2的光波面变化。
利用借由光感测部140而检测到的反射光L2的变化测定对象物体55的反射面S2的高度变化。具体而言，借由光感测部140而检测到的反射光L2的光波面变化输入至运算部150，运算部150利用此种反射光L2的光波面变化计算泽尼克多项式的散焦项的系数值。另外，可借由对计算出的散焦项的系数值与储存于运算部150的校正资料进行比较而测定对象物体55的反射面S2的高度变化Δh。此处，对象物体55的反射面S2的高度变化Δh可相当于对象物体的厚度t。
根据如上所述的测定装置100，光聚焦部130可对探测光L1进行聚焦而照射至对象物体55，包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140检测自对象物体55反射的反射光L2的光波面变化，运算部150借由利用由光感测部140检测到的反射光的光波面变化计算散焦项的系数值而测定对象物体55的反射面的高度变化。借此，例如可有效且准确地测定如晶圆或板状物体等的对象物体55的厚度或高度变化。并且，若向对象物体55扫描自光源110出射的探测光L1，则亦可测定与扫描线或扫描面积对应的对象物体55的形状。另外，借由包括夏克-哈特曼感测器的光感测部140而测定的厚度或高度变化与光感测部140的倾斜程度无关，因此在设置测定装置100时，能够以在光学上较为容易的方式排列光感测部140。
以下，对可利用上述测定装置自动调节焦点而执行激光加工作业的激光加工装置及激光加工方法进行说明。
图7a至图7c是示出本发明的例示性的实施例的激光加工装置及激光加工方法的图。
参照图7a至图7c，激光加工装置200包括：测定装置，包括第一光源211、光聚焦部230、光感测部240及运算部250；第二光源212，向加工对象物56射出激光L；及焦点调节装置。
测定装置可实时测定堆载于平台50的加工对象物56的高度变化。第一光源211射出用以进行测定的探测光L1。另外，光聚焦部230对探测光L1进行聚焦而照射至加工对象物56，光感测部240检测探测光L1自加工对象物56的反射面反射出的反射光L2的变化。此处，光感测部240包括可检测反射光L2的光波面变化的夏克-哈特曼感测器。另外，运算部250可利用借由光感测部240而检测到的反射光L2的变化测定加工对象物56的高度变化。此种运算部250将反射光L2的光波面变化构成为作为数学模型的泽尼克多项式，借此可测定加工对象物56的高度变化。泽尼克多项式可由多个项构成，在这些项中，散焦(defocus)项的系数值可决定加工对象物56的高度变化。
已于上述实施例中详细地对测定装置进行了说明，因此省略对上述测定装置的说明。另一方面，与加工对象物56的高度变化对应的散焦项的系数值变化作为校正资料而预先储存于运算部250。
第二光源212可射出用以对加工对象物56进行加工的激光L。以此方式自第二光源212射出的激光L可借由光聚焦部230聚焦而照射至加工对象物56。借此，自第一光源211射出的探测光L1与自第二光源212射出的激光L可借由一个光聚焦部230照射至加工对象物56。
在第一光源211及第二光源212与光聚焦部230之间，可设置分色镜(dichroicmirror)225。此处，分色镜225可发挥如下作用：使自第一光源211射出的探测光L1与自第二光源212射出的激光L中的任一者透射且反射另一者。在图中，例示性地示出有分色镜225使激光L透射且反射探测光L1的情形。然而，并不限定于此，分色镜225亦能够以反射激光L且使探测光L1透射的方式构成。
在第一光源211与分色镜225之间，可设置分束器(beam splitter)222。此处，分束器222可发挥如下作用：使自第一光源211射出的探测光L1与此种探测光L1自加工对象物56的反射面反射出的反射光L2中的任一者透射且反射另一者。在图中，例示性地示出有分束器222反射探测光L1且使反射光L2透射的情形。然而，并不限定于此，分束器222亦能够以使探测光L1透射且使反射光L2反射的方式构成。另一方面，在第一光源211与分束器222之间，亦可设置使自第一光源211射出的探测光L1朝向分束器222侧的反射镜221。
在分色镜225与分束器222之间，可更设置波片(wave plate)223及带通滤波器(bandpass filter)224。此处，波片223可发挥调节探测光L1的强度而出射的作用。另外，带通滤波器224可发挥如下作用：仅分离自加工对象物56的反射面S反射出的反射光L2中的与特定波长带宽对应的光。
在运算部250与第一光源211之间，可设置可对射出探测光L1的第一光源211进行控制的第一控制部261；在运算部250与第二光源212之间，可设置可对射出激光L的第二光源212进行控制的第二控制部262。
焦点调节装置可发挥如下作用：在激光加工作业中，自动调节照射至加工对象物56的激光L的焦点。为此，焦点调节装置可包括：驱动部270，可使光聚焦部230相对于加工对象物56上下移动；及第三控制部263，可对上述驱动部270进行控制。此处，第三控制部263能够以如下方式控制驱动部270：连接至运算部250而与由运算部250计算出的加工对象物56的高度变化对应地上下移动光聚焦部230。
在如上所述的构造的激光加工装置200中，自第一光源211射出探测光L1而借由光聚焦部230照射至加工对象物56，自第二光源212射出激光L而借由光聚焦部230照射至加工对象物56。
自第一光源211射出的探测光L1在借由分束器222反射而在分色镜225反射后，借由光聚焦部230照射至加工对象物56。接着，探测光L1自加工对象物56的反射面S反射，以此方式反射的反射光L2在分色镜225反射后透射分束器222，之后入射至光感测部240。此处，包括夏克-哈特曼感测器的光感测部240检测反射光L2的光波面变化，运算部250利用以此方式检测到的光波面变化测定加工对象物56的高度变化。另外，自第二光源212射出的激光L在透射分色镜225后，经由光聚焦部230而照射至加工对象物56，借此执行加工作业。此处，若在激光加工作业中，加工对象物56的高度发生变化，则测定装置的运算部250测定上述高度变化，焦点调节装置的驱动部270与上述高度变化对应而使光聚焦部230上下移动，借此可实时自动调节照射至加工对象物56的激光L的焦点而执行激光加工作业。
以下，参照图7a至图7c，对本发明的例示性的实施例的激光加工方法进行说明。
在图7a中，示出有激光L准确地聚焦在加工对象物56上的情形，在该状态下，可执行精确的激光加工作业。参照图7a，自第二光源212射出的激光L借由光聚焦部230聚焦而照射至加工对象物56，此时可在加工对象物56上形成可执行激光加工作业的聚光点。在该情形时，可测定为无借由测定装置测定的加工对象物56的高度变化。具体而言，自第一光源211射出的探测光L1经由光聚焦部230而入射至加工对象物56。接着，探测光L1可在加工对象物56的反射面S反射，上述反射光L2入射至光感测部240。
包括夏克-哈特曼感测器的光感测部240可检测自加工对象物56的反射面S反射的反射光L2的光波面变化。图7a中，自加工对象物的反射面S反射的反射光L2的光波面W与探测光L1相同地成为平面波面，因此无反射光L2的光波面变化。借此，借由运算部250计算的散焦项的系数值可成为“0”。如上所述，无反射光L2的光波面变化的加工对象物56的反射面S可设定为成为高度测定基准的基准面。
在图7b中，示出有加工对象物56的高度变得高于图7a的情形。即，在图7b中，示出加工对象物56的反射面S位于高于基准面的位置。在激光加工作业中，加工对象物56的厚度会变厚，或因外部环境而加工对象物56的高度变得高于图7a所示的基准面。
若加工对象物56的高度变高，则自加工对象物56的反射面S反射的反射光L2的光波面W会变成凸出形态而入射至光感测部240。如上所述，若借由光感测部240而检测到的反射光L2的光波面W变成凸出形态，则在储存于运算部250的泽尼克多项式中，散焦项的系数可具有“正(+)”值。另外，若对以此方式计算出的散焦项的系数值与预先储存于运算部250的校正资料进行比较，则可测定加工对象物56的高度变化Δh1。
运算部250将测定到的加工对象物56的高度变化Δh1传输至焦点调节装置的第三控制部263，第三控制部263可对驱动部270进行驱动而使光聚焦部230上升。具体而言，驱动部270可使光聚焦部230上升与加工对象物56的高度变化Δh1对应的距离。如上所述，驱动部270使光聚焦部230上升与加工对象物56的高度变化Δh1对应的距离，借此激光L可如图7a所示般准确地在加工对象物56上聚焦，在该状态下，可精确地进行激光加工作业。
在图7c中，示出有加工对象物56的高度变得低于图7a的情形。即，在图7c中，加工对象物56的反射面S位于低于基准面的位置。在激光加工作业中，加工对象物的厚度会变薄，或因外部环境而加工对象物的高度变得低于图7a所示的基准面。
若加工对象物56的高度变低，则自加工对象物56的反射面S反射的反射光L2的光波面W会变成凹陷形态而入射至光感测部240。如上所述，若借由光感测部240而检测到的反射光L2的光波面W变成凹陷形态，则在储存于运算部250的泽尼克多项式中，散焦项的系数可具有“负(-)”值。另外，若对以此方式计算出的散焦项的系数值与预先储存于运算部250的校正资料进行比较，则可测定加工对象物56的高度变化Δh2。
运算部250将测定到的加工对象物56的高度变化Δh2传输至焦点调节装置的第三控制部263，第三控制部263可对驱动部270进行驱动而使光聚焦部230下降。具体而言，驱动部270可使光聚焦部230下降与加工对象物56的高度变化Δh2对应的距离。如上所述，驱动部270使光聚焦部230下降与加工对象物56的高度变化Δh2对应的距离，借此激光L可如图7a所示般准确地在加工对象物56上聚焦，在该状态下，可精确地进行激光加工作业。
另一方面，以上对如下情形进行了说明：将无反射光L2的光波面变化的情形，即散焦项的系数值为“0”的情形时的加工对象物56的反射面S设定为成为高度测定基准的基准面。然而，并不限定于此，亦可将有反射光L2的光波面变化的情形、即散焦项的系数值具有“正(+)”值或“负(-)”值的情形时的加工对象物56的反射面S设定为基准面。
如上所述，本实施例的激光加工装置200在激光加工作业中加工对象物56的高度发生变化的情形时，测定装置实时测定加工对象物56的高度变化，焦点调节装置利用以此方式测定到的加工对象物56的高度变化调节光聚焦部230的位置，借此可实时准确地执行激光加工作业。
图8是示出本发明的另一例示性的实施例的激光加工装置的图。图8所示的激光加工装置300除驱动部370使测定装置380移动的方面以外，其余部分与图7a至图7c所示的激光加工装置200相同。参照图8，焦点调节装置的驱动部370以如下方式设置：为了调节激光L的焦点，可使测定装置380相对于加工对象物56上下移动。另一方面，在图8中，示出有由驱动部370移动的测定装置380不包括运算部250的情形，但上述测定装置380亦可包括运算部。
在以上实施例中，对驱动部270、370使光聚焦部230或测定装置380相对于加工对象物56上下移动的情形进行了说明。然而，并不限定于此，驱动部270、370亦可借由使平台50上下移动而调节激光L的焦点。
图9a至图9c示出本发明的另一例示性的实施例的激光加工装置及激光加工方法的图。
参照图9a至图9c，激光加工装置400包括：测定装置，实时测定加工对象物56的高度变化；加工装置，对加工对象物56进行加工作业；及焦点调节装置。
测定装置包括：第一光源411，射出探测光L1；第一光聚焦部431，对探测光L1进行聚焦而照射至加工对象物56；光感测部440，检测自加工对象物56反射的反射光L2的变化，且包括夏克-哈特曼感测器；及运算部450，利用借由光感测部440而检测到的反射光L2的变化测定加工对象物56的高度变化。已于上述实施例中详细地对测定装置进行了说明，因此省略对上述测定装置的说明。另一方面，与加工对象物56的高度变化对应的散焦项系数值的变化作为校正资料而预先储存于运算部450。
在第一光源411与第一光聚焦部431之间，可设置分束器422。分束器422可发挥如下作用：使自第一光源411射出的探测光L1与此种探测光L1自加工对象物56的反射面S反射出的反射光L2中的任一者透射且反射另一者。在图中，例示性地示出有分束器422使探测光L1透射且使反射光L2反射的情形，但分束器422亦能够以反射探测光L1且使反射光L2透射的方式构成。
加工装置包括：第二光源412，射出用以对上述加工对象物56进行加工的激光L；及第二光聚焦部432，对自第二光源412射出的激光L进行聚焦而照射至加工对象物56。另外，在运算部450与第一光源411之间，可设置可对射出探测光L1的第一光源411进行控制的第一控制部461，在运算部450与第二光源412之间，可设置可对射出激光L的第二光源412进行控制的第二控制部462。
焦点调节装置可发挥在激光加工作业中自动调节照射至加工对象物56的激光L的焦点的作用。为此，焦点调节装置可包括：驱动部470，可使第二光聚焦部432相对于加工对象物56上下移动；及第三控制部463，可对上述驱动部470进行控制。此处，第三控制部463能够以如下方式控制驱动部470：连接至运算部450而与由运算部450计算出的加工对象物56的高度变化对应地上下移动第二光聚焦部432。另一方面，虽未图示，但驱动部470亦能够以驱动第二光聚焦部432及第一光聚焦部431的方式构成。
在如上所述的构造的激光加工装置400中，自第一光源411射出探测光L1而借由第一光聚焦部431照射至加工对象物56，自第二光源412射出激光L而借由第二光聚焦部432照射至加工对象物56。
自第一光源411射出的探测光L1在透射分束器422后，借由第一光聚焦部431照射至加工对象物56。接着，探测光L1自加工对象物56的反射面S反射，以此方式反射的反射光L2在分束器422反射后，入射至光感测部440。此处，包括夏克-哈特曼感测器的光感测部440检测反射光L2的光波面变化，运算部450利用以此方式检测到的光波面变化测定加工对象物56的高度变化。另外，自第二光源412射出的激光L借由第二光聚焦部432聚焦而照射至加工对象物56，借此执行加工作业。此处，若在激光加工作业中加工对象物56的高度发生变化，则由测定装置测定上述高度变化，焦点调节装置与此种高度变化对应而使第二光聚焦部432上下移动，借此实时自动调节照射至加工对象物56的激光L的焦点而执行激光加工作业。
以下，参照图9a至图9c，对本发明的例示性的实施例的激光加工方法进行说明。
在图9a中，示出有激光L聚焦于加工对象物56上的情形，在此状态下，可执行精确的激光加工作业。参照图9a，自第二光源412射出的激光L借由第二光聚焦部432聚焦而照射至加工对象物56，此时可在加工对象物56上形成可执行激光加工作业的聚光点。在该情形时，可测定为无借由测定装置测定的加工对象物56的高度变化。具体而言，自第一光源411射出的探测光L1经由第一光聚焦部431而入射至加工对象物56。接着，探测光L1可在加工对象物56的反射面S反射，上述反射光L2入射至光感测部440。
包括夏克-哈特曼感测器的光感测部440可检测自加工对象物56的反射面S反射的反射光L2的光波面变化。在图9a中，自加工对象物56的反射面S反射的反射光L2的光波面W与探测光L1相同地成为平面波面，因此无反射光L2的光波面变化。借此，借由运算部450计算的散焦项的系数值可成为“0”。如上所述，无反射光L2的光波面变化的加工对象物56的反射面S可设定为成为高度测定基准的基准面。
在图9b中，示出有加工对象物56的高度变得高于图9a的情形。即，在图9b中，加工对象物56的反射面S位于高于基准面的位置。
若加工对象物56的高度变高，则自加工对象物56的反射面S反射的反射光L2的光波面W会变成凸出形态而入射至光感测部440。如上所述，若借由光感测部440而检测到的反射光L2的光波面W变成凸出形态，则在储存于运算部450的泽尼克多项式中，散焦项的系数可具有“正(+)”值。另外，若对以此方式计算出的散焦项的系数值与预先储存于运算部450的校正资料进行比较，则可测定加工对象物56的高度变化Δh1。
运算部450将测定到的加工对象物56的高度变化Δh1传输至焦点调节装置的第三控制部463，第三控制部463可对驱动部470进行驱动而使第二光聚焦部432上升。具体而言，驱动部470可使第二光聚焦部432上升与加工对象物56的高度变化Δh1对应的距离。如上所述，驱动部470使第二光聚焦部432上升与加工对象物56的高度变化Δh1对应的距离，借此激光L可如图9a所示般准确地在加工对象物56上聚焦，在该状态下，可精确地进行激光加工作业。
在图9c中，示出有加工对象物56的高度变得低于图9a的情形。即，在图9c中，加工对象物56的反射面S位于低于基准面的位置。
若加工对象物56的高度变低，则自加工对象物56的反射面S反射的反射光L2的光波面W会变成凹陷形态而入射至光感测部440。如上所述，若借由光感测部440而检测到的反射光L2的光波面W变成凹陷形态，则在储存于运算部450的泽尼克多项式中，散焦项的系数可具有“负(-)”值。另外，若对以此方式计算出的散焦项的系数值与预先储存于运算部450的校正资料进行比较，则可测定加工对象物56的高度变化Δh2。
运算部450将测定到的加工对象物56的高度变化Δh2传输至焦点调节装置的第三控制部463，第三控制部463可对驱动部470进行驱动而使第二光聚焦部432下降。具体而言，驱动部470可使第二光聚焦部432下降与加工对象物56的高度变化Δh2对应的距离。如上所述，驱动部470使第二光聚焦部432下降与加工对象物56的高度变化Δh2对应的距离，借此激光L可如图9a所示般准确地在加工对象物56上聚焦，在该状态下，可精确地进行激光加工作业。
另一方面，以上对如下情形进行了说明：将无反射光L2的光波面变化的情形，即散焦项的系数值为“0”的情形时的加工对象物56的反射面S设定为成为高度测定基准的基准面。然而，并不限定于此，亦可将有反射光L2的光波面变化的情形，即散焦项的系数值具有“正(+)”值或“负(-)”值的情形时的加工对象物56的反射面S设定为成为高度测定基准的基准面。
如上所述，本实施例的激光加工装置400在激光加工作业中加工对象物56的高度发生变化的情形时，测定装置实时测定加工对象物56的高度变化，焦点调节装置利用以此方式测定到的加工对象物56的高度变化调节第二光聚焦部432的位置，借此可实时准确地执行激光加工作业。
图10是示出本发明的另一例示性的实施例的激光加工装置的图。图10所示的激光加工装置500除驱动部570使第二光聚焦部432及测定装置580移动的方面以外，其余部分与图9a至图9c所示的激光加工装置相同。参照图10，焦点调节装置的驱动部570以如下方式设置：为了调节激光L的焦点，可使第二光聚焦部432及测定装置580相对于加工对象物56上下移动。另一方面，在图10中，示出由驱动部570移动的测定装置580不包括运算部450的情形，但上述测定装置580亦可包括运算部450。
在以上实施例中，对如下情形进行了说明：驱动部470、570使第二光聚焦部432相对于加工对象物56上下移动，或使第二光聚焦部432及测定装置580相对于加工对象物56上下移动。然而，并不限定于此，亦可借由驱动部470、570使平台50上下移动而调节激光L的焦点。
以上，对本发明的实施例进行了说明，但上述实施例仅为示例，本领域技术人员应理解，可根据上述实施例实现各种变形及其他等同的实施例。

Claims (16)

1.一种激光加工装置，其特征在于，包括：
测定装置，测定加工对象物的高度变化，包括第一光源、第一光聚焦部、光感测部及运算部，所述第一光源射出用以进行测定的探测光，所述第一光聚焦部对所述探测光进行聚焦而照射至所述加工对象物，所述光感测部包括夏克-哈特曼感测器且对所述探测光自所述加工对象物的反射面反射出的反射光的变化进行检测，所述运算部利用借由所述光感测部而检测到的所述反射光的变化计算所述加工对象物的高度变化；
第二光源，向所述加工对象物射出用以进行加工的激光；以及
焦点调节装置，利用借由所述测定装置而测定到的所述加工对象物的高度变化对照射至所述加工对象物的所述激光的焦点进行调节，
其中所述夏克-哈特曼传感器检测所述反射光的光波面变化，所述运算部利用以数式表示藉由所述光感测部而检测到的所述反射光的变化的泽尼克多项式计算所述加工对象物的高度变化，所述加工对象物的高度变化与所述泽尼克多项式的散焦项系数值的变化对应，
其中所述运算部用以测定与所述测定装置的基准点的上下移动相对应的所述泽尼克多项式的所述散焦项系数值，将表示测定到与所述基准点的所述上下移动相对应的所述散焦项系数值的变化的校正资料储存至所述运算部，
其中定义基准面，且经由自所述加工对象物的反射面反射的所述反射光的所述光波面变成凸出形态或凹陷型态而入射至所述光感测部，
所述运算部使用所述反射光的所述光波面的变化来计算所述泽尼克多项式的所述散焦项系数值，并将计算出的所述散焦项系数值与储存在所述运算部中的所述校正资料进行比较以测定所述加工对象物的所述反射面的高度变化。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中自所述第二光源射出的所述激光经由所述第一光聚焦部而照射至所述加工对象物。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其中所述焦点调节装置包括驱动部，所述驱动部使所述第一光聚焦部相对于所述加工对象物上下移动，或使所述测定装置相对于所述加工对象物上下移动。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其中所述焦点调节装置更包括控制部，所述控制部与所述运算部连接而对所述驱动部的上下移动进行控制。
5.根据权利要求2所述的激光加工装置，其中在所述第一光源及所述第二光源与所述第一光聚焦部之间，设置使所述探测光及所述激光中的任一者透射且反射另一者的分色镜。
6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其中在所述第一光源与所述分色镜之间，设置使所述探测光及所述反射光中的任一者透射且反射另一者的分束器。
7.根据权利要求6所述的激光加工装置，其中在所述分色镜与所述分束器之间更设置波片及带通滤波器。
8.根据权利要求1所述的激光加工装置，更包括第二光聚焦部，所述第二光聚焦部对自所述第二光源射出的所述激光进行聚焦而照射至所述加工对象物。
9.根据权利要求8所述的激光加工装置，其中所述焦点调节装置包括驱动部，所述驱动部使所述第二光聚焦部相对于所述加工对象物上下移动，或使所述测定装置相对于所述加工对象物上下移动。
10.根据权利要求9所述的激光加工装置，其中所述焦点调节装置更包括控制部，所述控制部与所述运算部连接而对所述驱动部的上下移动进行控制。
11.根据权利要求8所述的激光加工装置，其中在所述第一光源与所述第一光聚焦部之间，设置使所述探测光及所述反射光中的任一者透射且反射另一者的分束器。
12.一种激光加工方法，其是利用激光加工装置对加工对象物进行加工的方法，所述激光加工装置包括：测定装置、第二光源及焦点调节装置，所述测定装置包括第一光源、第一光聚焦部、光感测部及运算部，所述第一光源射出探测光，所述第一光聚焦部对所述探测光进行聚焦而照射至所述加工对象物，所述光感测部包括夏克-哈特曼感测器且对所述探测光反射出的反射光的变化进行检测，所述运算部利用所述反射光的变化计算所述加工对象物的高度变化；所述第二光源射出激光；所述焦点调节装置对所述激光的焦点进行调节；其特征在于，所述激光加工方法包括：
所述测定装置对所述加工对象物的高度变化进行测定；以及
所述焦点调节装置以与借由所述测定装置而测定到的所述加工对象物的高度变化对应的方式调节照射至所述加工对象物的所述激光的焦点，
其中所述运算部利用以数式表示借由所述光感测部而检测到的所述反射光的变化的泽尼克多项式计算所述加工对象物的高度变化，所述加工对象物的高度变化与所述泽尼克多项式的散焦项系数值的变化对应，
其中所述运算部用以测定与所述测定装置的基准点的上下移动相对应的所述泽尼克多项式的所述散焦项系数值，将表示测定到与所述基准点的所述上下移动相对应的所述散焦项系数值的变化的校正数据储存至所述运算部，
其中定义基准面，且经由自所述加工对象物的反射面反射的所述反射光的光波面变成凸出形态或凹陷型态而入射至所述光感测部，
所述运算部使用所述反射光的所述光波面的变化来计算所述泽尼克多项式的所述散焦项系数值，并将计算出的所述散焦项系数值与储存在所述运算部中的校正资料进行比较以测定所述加工对象物的所述反射面的高度变化。
13.根据权利要求12所述的激光加工方法，其中自所述第二光源射出的所述激光经由所述第一光聚焦部而照射至所述加工对象物。
14.根据权利要求13所述的激光加工方法，其中所述焦点调节装置包括：驱动部，使所述第一光聚焦部相对于所述加工对象物上下移动或使所述测定装置相对于所述加工对象物上下移动；以及控制部，与所述运算部连接而对所述驱动部的上下移动进行控制。
15.根据权利要求12所述的激光加工方法，其中自所述第二光源射出的所述激光借由第二光聚焦部聚焦而照射至所述加工对象物。
16.根据权利要求15所述的激光加工方法，其中所述焦点调节装置包括：驱动部，使所述第二光聚焦部相对于所述加工对象物上下移动或使所述第二光聚焦部及所述测定装置相对于所述加工对象物上下移动；以及控制部，与所述运算部连接而对所述驱动部的上下移动进行控制。
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